沈智彬 孫樹(shù)青 廣州港股份有限公司

1.引言

大型港口用于?？看笮痛暗暮］啿次怀３?huì)配備若干兼顧小型噸級(jí)船舶的駁船泊位以及?？客陷?、維修船舶的工作船泊位，而駁船泊位與工作船泊位往往因?yàn)橥？看皣嵓?jí)較小，對(duì)水深條件及碼頭受力、靠泊條件要求不高，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)形式與大海輪主碼頭的結(jié)構(gòu)形式不同。為了適應(yīng)多種靠泊船型的需求，碼頭主體結(jié)構(gòu)由單一的重力式、板樁式、高樁式逐漸演變?yōu)槎喾N結(jié)構(gòu)形式并存，不同碼頭結(jié)構(gòu)的銜接是工程是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，對(duì)不同結(jié)構(gòu)的銜接技術(shù)進(jìn)行研究具有重要的意義，不僅能在工程的設(shè)計(jì)階段為碼頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持，還能為工程的施工提供切實(shí)可行的施工方案參考。

新建碼頭包含不同的結(jié)構(gòu)、新舊碼頭銜接和舊碼頭結(jié)構(gòu)升級(jí)改造等情況下，都可能會(huì)涉及到不同碼頭結(jié)構(gòu)的銜接施工工藝。過(guò)去在建設(shè)施工技術(shù)不夠成熟的情況下，工程師們對(duì)各種碼頭結(jié)構(gòu)還處于摸索嘗試階段，因而同一個(gè)港區(qū)可能會(huì)出現(xiàn)不同的碼頭結(jié)構(gòu)。隨著國(guó)內(nèi)工程施工技術(shù)力量的不斷提升、工程經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，已經(jīng)有了一些成功的實(shí)例和關(guān)鍵技術(shù)。于曉巖研究了復(fù)雜地質(zhì)條件下泊位等級(jí)相差較大的兩相鄰結(jié)構(gòu)之間的銜接處理關(guān)鍵技術(shù)；宋蘭芳對(duì)重力式和板樁結(jié)構(gòu)的銜接提出了新穎的U型平接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；劉兵強(qiáng)結(jié)合工程實(shí)例對(duì)重力式碼頭與板樁碼頭銜接段施工穿越拋石層、后方漏砂等問(wèn)題進(jìn)行研究。

本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)不同碼頭結(jié)構(gòu)銜接優(yōu)化和開(kāi)挖方案的優(yōu)化進(jìn)行研究，為類(lèi)似項(xiàng)目工程提供技術(shù)支持與方案參考。

2.工程概況

2.1 工程規(guī)模

廣州港新沙港區(qū)11號(hào)12號(hào)通用泊位及駁船泊位工程2000噸級(jí)集裝箱駁船泊位位于挖入式港池北側(cè)，其前沿線(xiàn)與現(xiàn)有新沙一期南側(cè)護(hù)岸前沿線(xiàn)一致，需對(duì)現(xiàn)有新沙一期10號(hào)泊位南側(cè)護(hù)岸中的400m及其后50m范圍內(nèi)堆場(chǎng)進(jìn)行拆除改造，改造面積2.0萬(wàn)m。2000噸級(jí)集裝箱駁船泊位總長(zhǎng)400m，碼頭頂高程為4.4m，標(biāo)準(zhǔn)段按2000噸級(jí)集裝箱船設(shè)計(jì)，港池底高程為-4.8m，口門(mén)段154m長(zhǎng)的泊位結(jié)構(gòu)按5000噸級(jí)集裝箱船設(shè)計(jì)，港池底高程為-8.3m，工程平面布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 工程平面布置圖

2.2 碼頭結(jié)構(gòu)

原有新沙一期工程10號(hào)泊位采用重力式扶壁結(jié)構(gòu)方案，港池底高程為-12.5m。

2000噸級(jí)集裝箱駁船泊位采用管板組合的單錨板樁結(jié)構(gòu)方案。板樁墻頂高程1.5m，墻身采用φ1200鋼管樁與熱軋鋼板樁組合形式。鋼管樁間距2.52m，壁厚 18mm（預(yù)留腐蝕厚度2mm），材質(zhì)Q390B，底部進(jìn)入泥質(zhì)粉砂巖層，熱軋鋼板樁穿透表層軟弱土層。碼頭后方采用現(xiàn)澆錨碇墻結(jié)構(gòu)，其中標(biāo)準(zhǔn)段錨碇墻與碼頭前沿線(xiàn)間距30.1m，鋼板樁和錨碇墻通過(guò)低合金鋼高強(qiáng)拉桿（屈服強(qiáng)度不小于550MPa，抗拉強(qiáng)度不小于750MPa）連接，鋼拉桿直徑為φ70mm；口門(mén)段錨碇墻與碼頭前沿線(xiàn)間距34.1m，鋼板樁和錨碇墻通過(guò)低合金鋼高強(qiáng)拉桿（屈服強(qiáng)度不小于 550MPa，抗拉強(qiáng)度不小于 750MPa）連接，鋼拉桿直徑為φ80mm。鋼拉桿安裝高程為1.2m?，F(xiàn)澆錨碇墻厚0.6m，頂高程3.7m，其中標(biāo)準(zhǔn)段底高程為 0.0m，口門(mén)段底高程為-0.5m。

板樁墻頂部現(xiàn)澆 C40 混凝土胸墻結(jié)構(gòu)，高4m，寬3m，胸墻與導(dǎo)梁合二為一。碼頭設(shè)有2條QU80門(mén)機(jī)軌道，軌距10.5m，前軌距離碼頭前沿線(xiàn)2.5m，前軌安裝在胸墻上，φ1200鋼管樁兼做軌道樁基礎(chǔ)；后軌采用樁基軌道梁基礎(chǔ)，樁基為φ600PHC直樁，樁間距2.52m，樁尖進(jìn)入泥質(zhì)粉砂巖層。泊位立面圖見(jiàn)圖2。

圖2 2000噸級(jí)集裝箱駁船泊位立面圖

2.3 銜接段結(jié)構(gòu)

在2000噸級(jí)集裝箱駁船泊位與現(xiàn)有10#泊位銜接處，需拆除10號(hào)泊位11件扶壁及上部胸墻。預(yù)制并安裝小沉箱，小沉箱與鋼管組合板樁墻銜接處，墻后回填塊石和混合倒濾層，墻前拋填塊石至-8.3m。小沉箱與10#泊位扶壁銜接處，設(shè)倒濾井與扶壁結(jié)構(gòu)的倒濾結(jié)構(gòu)銜接。

2.4 設(shè)計(jì)水位

采用當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵婊鶞?zhǔn)，各設(shè)計(jì)水位見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)水位取值表

3.銜接段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

2000噸級(jí)集裝箱駁船泊位與10號(hào)泊位銜接處原設(shè)計(jì)施工工序?yàn)橄冗M(jìn)行扶壁墻后開(kāi)挖，接著拆除原有扶壁結(jié)構(gòu)，開(kāi)挖原有基床塊石，然后水上施打管板組合樁，重新回填拋石基床后，在新基床上安放小沉箱，接著進(jìn)行墻后回填、胸墻結(jié)構(gòu)等施工。

原有的扶壁結(jié)構(gòu)基床已沉降穩(wěn)定，如果挖除重建，一方面浪費(fèi)投資，另一方面不利于新安放的小沉箱乃至胸墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；水上施打管板組合樁需要打裝船或搭設(shè)水上施工平臺(tái)，一方面設(shè)備調(diào)遣費(fèi)用較高，另一方面施工設(shè)備受水流影響，施工質(zhì)量不如陸上施工；基于上述原因，有必要對(duì)原方案進(jìn)行優(yōu)化。

為解決原方案的弊端，提出優(yōu)化方案：原扶壁拋石基床范圍的部分管板組合墻優(yōu)化為陸上施打4根灌注樁，以解決鋼管樁、鋼板樁無(wú)法穿透拋石基床的問(wèn)題；剩余管板組合樁采用陸上施打，以解決打樁船或水上施工平臺(tái)的問(wèn)題；接著再拆除原有扶壁及后方回填結(jié)構(gòu)，并利用原有基床安裝新建小沉箱。優(yōu)化方案施工圖見(jiàn)圖3。

圖3 優(yōu)化方案施工圖

4.不同結(jié)構(gòu)形式碼頭銜接數(shù)值計(jì)算

4.1 碼頭結(jié)構(gòu)數(shù)值模型建立

采用有限元方法，利用巖土工程專(zhuān)用軟件Midas/GTS NX，分別分析沉箱結(jié)構(gòu)與鋼管板樁結(jié)構(gòu)在極端低水位施工階段條件下的結(jié)構(gòu)受力與變形情況。在巖土工程或地下工程領(lǐng)域中，地基土的性質(zhì)會(huì)影響到樁基施工、開(kāi)挖擾動(dòng)等因素的影響。由于土層分布復(fù)雜多變，同時(shí)土體的組成很復(fù)雜，影響其性質(zhì)的因素眾多。土體由固體、液體、以及氣體組成，是一種非線(xiàn)性的復(fù)雜材料，當(dāng)受到荷載的作用下，它的應(yīng)力應(yīng)變及變形是較為復(fù)雜的，它的受力變形狀態(tài)很難用單一的數(shù)學(xué)本構(gòu)模型來(lái)反映，模擬其真實(shí)狀況也是極其困難的。在進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)需要做一些相應(yīng)的簡(jiǎn)化，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)該過(guò)程的模擬?；谝陨戏治?，對(duì)計(jì)算模型做如下的假定：

①施工的過(guò)程中忽略土體變形的時(shí)間效應(yīng)；

②考慮土體的分層。

4.2 結(jié)構(gòu)靜力受力變形規(guī)律分析

鋼管板樁結(jié)構(gòu)與沉箱結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 管板樁結(jié)構(gòu)施工期位移

圖5 沉箱結(jié)構(gòu)施工期位移

有限元分析結(jié)果表明，沉箱結(jié)構(gòu)與鋼管板樁結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)大體一致，變形協(xié)調(diào)性較好。本設(shè)計(jì)方案可有效避免不同結(jié)構(gòu)間銜接處由于變形不一致產(chǎn)生過(guò)較大縫隙導(dǎo)致漏砂甚至結(jié)構(gòu)破壞。

鋼管板樁結(jié)構(gòu)、拉桿受力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7、圖8及表2。

圖6 鋼管板樁彎矩計(jì)算結(jié)果

圖7 鋼管板樁剪力計(jì)算結(jié)果

圖8 拉桿拉力計(jì)算結(jié)果

表2 鋼管板樁結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

有限元計(jì)算結(jié)果表明，各結(jié)構(gòu)部件強(qiáng)度均滿(mǎn)足要求。2000噸級(jí)集裝箱駁船泊位前方的軟弱土層不需要進(jìn)行處理，碼頭前沿港池開(kāi)挖應(yīng)分層分塊開(kāi)挖，開(kāi)挖速度不宜過(guò)快，防止施工期碼頭結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變形，并加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)處理。

5.碼頭銜接段開(kāi)挖方案優(yōu)化

5.1 開(kāi)挖方案優(yōu)化的必要性

本工程2000噸級(jí)集裝箱駁船泊位利用原有10號(hào)泊位后方拋石護(hù)岸改造而成，清理完畢后，施工面基本與水面持平，與水域?yàn)榱憔嚯x，現(xiàn)場(chǎng)基本為透水結(jié)構(gòu)。銜接段原設(shè)計(jì)方案施工工序?yàn)榛坶_(kāi)挖、水上打樁、安裝沉箱、后方回填及地基處理、上部結(jié)構(gòu)施工。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錨碇墻、胸墻開(kāi)挖情況，本區(qū)域受水位變動(dòng)影響大等因素影響，無(wú)法按設(shè)計(jì)邊坡成型?，F(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖自然邊坡約1：4，開(kāi)挖至少需要70米水平距離，但現(xiàn)場(chǎng)只有50米的施工范圍，扣除施工機(jī)械位置，可開(kāi)挖范圍大約40m，無(wú)法滿(mǎn)足施工要求?；谏鲜鲈?，有必要對(duì)原方案進(jìn)行優(yōu)化。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況，擬采用鋼板樁、鋼管樁支護(hù)與放坡相結(jié)合的優(yōu)化方案，具體為：銜接段施工新建小沉箱與管板組合樁搭接處半徑26m范圍外設(shè)置一排管板組合支護(hù)樁，在此后方另設(shè)置一排拉森鋼板樁進(jìn)行支護(hù)。鋼管樁采用DN800厚10mm的鋼管，樁長(zhǎng)18.0m；緊貼鋼管樁內(nèi)側(cè)設(shè)置一排拉森鋼板樁，距此排鋼板樁后方6m處再設(shè)置一排拉森鋼板樁，樁長(zhǎng)12.0m。施工范圍可控制在50m以?xún)?nèi)，詳見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 優(yōu)化方案斷面圖

圖10 現(xiàn)場(chǎng)施工形勢(shì)圖

5.2 優(yōu)化實(shí)施效果

①降低風(fēng)險(xiǎn)和不確定性，有效控制工期。銜接段區(qū)域受水位變動(dòng)影響大，原方案難以保證扶壁拆除和沉箱安裝等施工的順利推進(jìn)，可能影響工期。優(yōu)化方案有效地降低了大開(kāi)挖的安全風(fēng)險(xiǎn)和不確定性，可確保碼頭早投產(chǎn)、早收益。

②減少施工影響范圍。原方案需額外讓出20米位置作為施工場(chǎng)地，將對(duì)利用率日趨飽和的碼頭海運(yùn)業(yè)務(wù)周轉(zhuǎn)需求造成影響。優(yōu)化方案可將施工范圍控制在50m以?xún)?nèi)，不影響碼頭生產(chǎn)運(yùn)行，且降低大范圍開(kāi)挖給碼頭運(yùn)營(yíng)帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)和不確定性。

③提升經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)審定，碼頭結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化可節(jié)約投資約187.6萬(wàn)元。開(kāi)挖方案優(yōu)化研究增加工程費(fèi)約104.6萬(wàn)元；另由于原開(kāi)挖方案施工范圍大，將會(huì)直接影響滾裝汽車(chē)及集裝箱業(yè)務(wù)。僅以滾裝業(yè)務(wù)為例，原開(kāi)挖方案將導(dǎo)致每月少接卸約2艘滾裝船舶，按平均每艘滾裝船接卸800臺(tái)汽車(chē)，每臺(tái)汽車(chē)600元利潤(rùn)計(jì)算，每月?lián)p失約96萬(wàn)元，按照6個(gè)月工期計(jì)算，預(yù)計(jì)將損失利潤(rùn)576萬(wàn)元。除去開(kāi)挖方案優(yōu)化增加的工程費(fèi)104.6萬(wàn)元，開(kāi)挖方案優(yōu)化至少可節(jié)約投資471.4萬(wàn)元。

綜上本研究總體經(jīng)濟(jì)效益為659萬(wàn)元。

6.結(jié)語(yǔ)

（1）新建2000噸級(jí)集裝箱駁船泊位采用管板組合的單錨板樁結(jié)構(gòu)方案，施工方便、節(jié)約成本，為板樁碼頭作為薄壁結(jié)構(gòu)在工程建設(shè)中的應(yīng)用提供了一種解決方案。

（2）原有的扶壁結(jié)構(gòu)基床已沉降穩(wěn)定，不需要挖除重建，可拆除原有扶壁及后方回填結(jié)構(gòu)，利用原有基床安裝新建小沉箱，以達(dá)到節(jié)約成本減少工時(shí)的目的，在新舊碼頭銜接工程上提供了實(shí)踐參考。

（3）有限元分析結(jié)果表明，沉箱結(jié)構(gòu)與鋼管板樁結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)大體一致，變形協(xié)調(diào)性較好?？捎行П苊獠煌Y(jié)構(gòu)間銜接處由于變形不一致產(chǎn)生過(guò)較大縫隙導(dǎo)致漏砂等問(wèn)題。

（4）本工程采用的管板組合的單錨板樁結(jié)構(gòu)經(jīng)數(shù)值計(jì)算滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，碼頭前方的軟弱土層不需要進(jìn)行處理，節(jié)省了工程成本。碼頭前沿港池開(kāi)挖應(yīng)分層分塊開(kāi)挖，開(kāi)挖速度不宜過(guò)快，防止施工期碼頭結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變形。

大型港口的碼頭結(jié)構(gòu)形式多樣、功能齊全，在碼頭建設(shè)、改造工程中，不同結(jié)構(gòu)形式的銜接技術(shù)是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。不同結(jié)構(gòu)的銜接工程在節(jié)約工程造價(jià)、縮短工期、降低對(duì)附近結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性的影響和對(duì)港口生產(chǎn)作業(yè)的影響等方面進(jìn)行優(yōu)化已成為港口工程的重要課題。本文的項(xiàng)目工程已成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期優(yōu)化效果，為重力式扶壁結(jié)構(gòu)與單錨板樁結(jié)構(gòu)的銜接方案積累了經(jīng)驗(yàn)，為類(lèi)似的碼頭工程設(shè)計(jì)和施工提供了借鑒依據(jù)和方案參考。